智能型量测开关的原理与应用

段艳艳 郭伟萍 仲 超

（1.浙江德力西国际电工有限公司 杭州 310024；2.杭申集团有限公司—杭州之江开关股份有限公司 杭州 311234）

引言

随着大规模集成电路技术的不断提升，高端计量芯片例如“ATT70xxx”具有七通道19 位Σ-Δ ADC，差动输入，可对三通道电压（UA、UB、UC）、四通道电流（IA、IB、IC、IN）进行高精采样，并进行各41 次谐状分析，以及有功功率、无功功率、视在功率，有功电能，无功电能、功率因数，频率等测量；可用脉冲输出进行远距离传输核显示，并可进行三相三线，三相四线以及正、负功率测量。与CPU 之间用高速SPI 接口通信。当采用数据完成后以中断（IRQ）方式告诉CPU 可以读数；当不需要采样时，可进入休眠模式以减少系统功耗。

CPU 选用HC32xxxxx（M4，168 MHz 时钟，100 Pin，512 KB Flash，192 KB SRAM），3.3 V 供电。

CPU 功能是通过SPI 接口和I/O 口与计量芯片之间通信，并通过保护互感器测量电流（IA、IB、IC、IN）进行三段保护，通过HPLC（宽带载波）通信实现与负载电度表远距离通信组网。也可以通过4G 或5G 网关或LORA 无通信组网。以及LCD 显示、键盘接口、脱扣断电等。

1 ATT70xxx 计量芯片与CPU 之间联系以及外部接口

ATT70xxx 计量芯片与CPU 之间联系以及外部接口如图1 所示。

图1 ATT70xxx 计量芯片与CPU 之间联系以及外部接口

1.1 计量芯片与CPU 之间的联系

1）IRQ 中断：当计量芯片采样数据完成时，发出中断请求，CPU 响应后读数。如：电压、电流、功率、电能、频率、功率因数以及电压、电流各41 次谐波频谱等。CPU 通过SPI 接口（/CS=0）与计量芯片芯片通信读数。

2）I/O 口信息：

CPU 用输出口控制SLEP 引脚实现工作（1）或休眠（0），以减少功耗。

CPU 用输出口可控制SEL 引脚实现三相三线或三相四线的转换。

CPU 用输入口读取REVP 的功率+-方向。即可知功率输入或输出。

1.2 计量芯片的电压与电流采样

1）电压采样：Σ-Δ ADC，19 位分辨率，差动输入。

方法1：2 mA/2 mA 电压型电流互感器，如图2。

图2 电压采样方法

图3 电压采样方法

三相四线制，AC220 V，AC300 V 满量程。

R0: 高精度金属氧化膜电阻。

R1:1206 封装贴片电阻。

R0: 高精度金属氧化膜电阻。

2） 电流采样：IA、IB、IC、IN 4CH 差动输入。

二级精密电流采样互感器如图4。

图4 二级精密电流采样互感器

CT1：80 A ～800 A/5 A,次级输出5 A，1.2 倍满量程，10 In/1 s 不损坏。

CT2：5 A/5 mA，次级输出5 mA，1.2 倍满量程，10 In/1 s不损坏。

R0：高精度金属氧化膜电阻。

CT1 与CT2 之间传输距离L ＜10 m。

采样用同轴电缆或带屏蔽层的超五类双绞屏蔽线传输，传输距离：L ＜10 m。

1.3 计量芯片的电压、电流各41 次谐波分析

通过SPI 接口，传递给CPU 的LCD 液晶屏上显示电压、电流各41 次谐波棒图。

2 保护型CPU 的外部接口

CPU 的外部接口如图5 所示。

2.1 保护型互感器电流采样、供电电路

保护型互感器电流采样、供电电路，如图6、图7 所示。

图6 保护型互感器电流采样、供电电路

图7 通道放大电路（IA～IN）

互感器变比：1 In/60 mA

大通道放大：（2～12）×In/（120～720）mA，反相放大。

小通道放大：（0.4～2.0）×In/（24～120）mA，同相放大，大小两级串联。

采样电阻：高精度金属氧化膜电阻。

式中：

KH 一为电流通道第一级增益；

KL 一为电流通道第二级增益；

K’L 一为电流通道总增益。

2.2 保护型控制器三段保护特性

2.2.1 长延时反时限保护：呈I2t 特性

过载长延时保护脱扣动作特性呈现反时限特性，其动作时间和线路中的电流大小有关，主要表现为电流越大，动作时间越短。断路器故障动作时间按如下公式计算：

计算公式：

式中：

T1—长延时保护动作时间；

N—过载倍数，N=I/IR；

I—电流采样均方根值，并经8 点数字递推滤波平滑后三相中最大一相电流；

IR—长延时保护整定电流：IR=（0.4 ～1.0）×In；

In—断路器额定电流：In=（80 ～800）A。

tR—长延时保护整定时间：tR=@1.5IR下：16，32，64，128，256（s）

※ 动作特性：I ≤1.05 IR，＞2 h 不动作；

I ≥1.2 IR， ＜1 h 动作；

※ 热记忆：10 min，可关断。

2.2.2 短延时定时限保护：

短路短延时保护特性呈现定时限特性，当故障电流超过短延时保护电流整定值时，开始计时，直到到达整定时间，断路器发出脱扣信号，实现短路短延时保护。

※ 短延时保护整定电流：Isd

Isd=（1.5 ～10）× IR+OFF （OFF 为关保护）=（1.5，2.0，3.0，4.0，6.0，8.0，10.0）×IR+OFF

※ 短延时保护整定时间：tsd

tsd=0.1，0.2，0.3，0.4（s），定时限，可实现四级选择性保护。

2.2.3 瞬时保护：

短路瞬时电流保护跟短路短延时和过载长延时相比，其瞬间电流极大，对电路造成的危害也巨大，要求断路器能迅速断开回路，因此采用每毫秒级采样一次与瞬时保护电流整定值进行比较，如果连续两次大于整定值，则判断为瞬时故障，此时控制器立即发出脱扣信号，实现瞬时保护。

※ 瞬时保护整定电流：Ii

Ii=（2.0 ～12）× IR+OFF （OFF 为关保护）；

瞬时保护用瞬时值，当A/D 采样电流连续2 ms 内均大于等于瞬时保护整定电流时，即发脱扣命令。

20 ms 采样32 点， 每点0.625 ms， 当4 次采样（0.65×4=2.5 ms）均大于Ii 整定阀值时，则保护断电。雷击波的脉冲宽度为（0.7 ～1.0）ms，国家标准。雷击波不要误动。

断路器的全分断时间包括：

A/D 采样判断时间：2.5 ms（连续四次采样）

CPU 发脱扣命令：4 ms（双脉冲控制，+、-两个脉冲）

脱扣器轴运动时间：（5 ～7）ms

断路器机构运动时间：应＜（10 ～15）ms

触头断开时电弧熄灭时间：＜10 ms

上述时间的总和称全分断时间，约（25 ～35）ms。

3 电源供电电路

三相高压开关电源电路：

三相半波整流电路如图8，电源原理框图如图9。

图8 三相高压开关电源电路

图9 电源原理框图

ED=1.17 Es，ES 相电压，AC220 V，允许变化范围：0.7 ～1.3 倍。

则ED 范围（180 ～328）V。

用（80 ～500）V 开关电源，输出DC24 V 电源。

4 结束语

低碳、节能、节材、环保的绿色革命对全球都产生了深远的影响，以气候变化为代表的全球生态安全问题日益凸显，将引发世界范围内经济社会发展方式的根本变革，先进的低压电器技术和节能技术则成为世界科技发展的前沿和技术竞争的热点领域。

打造具有核心竞争力的绿色节能电器，为客户提供更安全、更智能、更绿色的电器解决方案已经是大势所趋。而随着我国“双碳”战略目标的大力推进，对低压电器行业内厂商带来的既是挑战也是机遇。

保护和控制电器作为低压配电系统的重要组成部分，其使用数量庞大，而且经常处于长期工作状态，是低压配电系统自身电力损耗的主要组成部分，在全球低碳的潮流下，高功耗的低压电器将逐步被涛汰，取而代之的是一些低功耗的节能型低压电器将大量普及。而随着配用电能源管理和能效管理系统的逐步推广和普及，全功能、数字化保护和控制电器也将是未来的主流电器。除了节能型、智能化、数字化外，节材、环保也将是未来低压电器的主要特点。

智能化断路器采用互感器检测技术和数字化保护、控制技术，使断路器自身的功率损耗较传统的热、磁式保护断路器大幅降低，而且智能化技术的应用大大丰富了断路器的保护和控制功能，除了能使配电系统更稳定和可靠外，能很好的满足未业大范围应用的配网自动化对实现配电系统正常运行及事故情况下的监测、保护、控制和配电管理的要求。

智能型量测开关是将带计量功能的电度表、具有三段保护的智能断路器，以及宽带载波通信（HPLC），电压、电流各41 次谐波、LCD 显示，键盘设定，三相同时供电与保护互感器自生电源等诸多功能组成新一代计量、三段保护、三相同时供电、HPLC 宽带载波组网的计量、保护开关。是新一代智能量、测开关，因其功能较多吗，又有计量与保护两种多只互感器，且断路器的额定电流为80 A ～800 A,可利用的空间较小，因而三相开关电源，计量互感器等多个部件需放在断路器外部，否则难以达到预定目的。

保护型电流互感器需要用（0.27 ～0.35）mm 冷轧、高性能矽铜片制造，冲片后需经氢气退火处理，且电流测量动态范围较大，（0.4 ～12）×In（额定电流），一般在（6 ～8）×In 输入/输出特性呈非线性饱和状态，线性化修正是又一个难点。

量测开关功能较多，体积小，需用量多，需有关部门大力协同，为我国电力系统现代化作出贡献！